Оптический шарнир (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК G02B17/04 

Изобретение относится коптическим измерениям и может быть использовано для измерения индикатрисы ра сеяния в различных типах гомиослект рофотометров, а также а поляриметра ллипсометрахг сахариметрах для пов шения точности измерений Известен оптический шарнир, соде жащий ё прямоуголь.ные призмы, пер вая из которых установлена с возмож :ностью соосного разворота: относител но второй {ij . - Недостатком такого шарнира является поворот изображения, возникгиощий при развороте первой призмы. Наиболее близким к предлагаемым по технической сущности является оп тический шарнир, содержащий по край ней мере две призменные системы, ус тановленные с возможностью соосного разворота. Первая призменная систем включает призмы АР - 90 и БР - 180° причем вторая из них служит для компенсаций поворота изображения, обус ловленного разворотом первой призмы вокруг оси, связывающей зтк призмы. Вторая призменная система выполнена в виде призмы АР - 90° и составляет неподвижное колено шарнира. Таким образом, поворот изображения в зтом шарнире устранен 2J . Однако известный шарнир имеет узкие функциональные возможности, поскольку его нельзя применять для точных измерений в поляризованном свете в полярнметрах, фотометрах, гониоспектрофотометрах и других приб(,где точность измерения снижается за счет дополнительных погрешностей, связанных с поляризацией измеряемого излучения, ввиду непостоянства коэффициента пропускания поляризованного света при развороте указанных оптических систем. цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности при фотометрических измерениях путем обеспечения постоянства коэффициента пропускания поляризованного света при развороте. По первому варианту поставленная цель достигается тем, что в оптическом шарнире, содержгицем по крайней мере две призменные системы, установленные с возможностью соосного разворочга, первая призменная система снабжена фазосдвигающей пластинкой, толщина d , а также показатели пре|ломления необыкновенного пе и обыкновенного «о лучей которой кдовлетворяют соотношению лл /J. Н C.OSC ;-fsi«( 2an,tC ;,,a, где - длина волны падакицего света; i - порядковый номер отражаю. щих граней первой приз- . менной системы; - общее число таких граней; (f, - угол между оптической осью шарнира и нормалью к i -и отражающей грани; относительный показатель преломления сред, которые разделяет i -я отражающая грань. По второму варианту поставленная цель достигается тем, что В оптическом шарнире, содержащем по крайней мере две призменные системы, установленные с возможностью соосного разворота, призмы первой системы выполнены из материалов, показатели преломления п,; которых связаны с углами щ соотношением Z2a., Ь 2 - порядковый номер отражающих граней первой призменной системы; К1 - общее число таких граней; tf; - угол между оптической осью шарнира и нормалью к i -и отреикакнцей грани. На фиг. 1 представлена оптическая схема первого варианта шарнира и состояние поляризации в его различных частях; на фиг. 2 - то же, для второго варианта шарнира. Предлагаемый оптический шарнир по первому варианту состоит из последовательно расположенных фазосдвигакш1ей пластинки 1, призмы 2 и призмы 3, составляющих первую оптическую систему, и из второй призменной системы 4. При этом системы установлены с возможностью соосного разворота, а параметры пластинки 1 удовлетворяют соотношению (1).. Фазовая пластинка 1 может быть расположена также и после первой призмы 2 (на фиг. 1 показано пунктиром) . Оптический шарнир работает следующим образом. При направлении монохроматического линейно поляризованного света, амплитуды колебаний обыкновенного и неос киовенного лучей которого одинаковы, на фазосдвигающей пластинке 1 происходит сдвиг Фазы, рассчитываеый в соответствий с левой частью равнения (1). При прохождении света ерез призмы 2 и 3 на каждой из их тражающих граней также происходит двиг фаз, соответствующие слагаеым суммы 21 , приведенной в правой . асти соотношения (1). В случае выолнения зтого соотношения суммарый сдвиг фаз в первой оптической .

системе, составленной из элементов 1-3, равен 11/2 и поэтому на выходе из нее линейно поляризованный свет превращается в циркулярно поляризованный, т.е. в шарнире реализуется оптическая развязка между системами. Вторая оптическая.система 4 обеспечивает превращение света ;с круглой, поляризацией,в свет с эллиптической поляризацией с любыми параметрами эллипса поляризации. При этом появляется возможность разворачивать этот эллипс на любые углы вокруг оси вращения без изменения интенсивности.

Таким образом, первая оптическая система выполняет функции четвертьволновой пластинки, благодаря чему удается обеспечить постоянство козффициента пропускания поляризованного света вне зависимости от углов разворота подвижного колена шарнира

. Пример При выполнении призм 2 и 3 оптического шарнира из стекла с показателем преломления, равным 1, 5, и соответственно с величиной .5 0,667 суммарный сдвиг фаз Е , возникающий при отражении от всех трех граней этих призм с учетом выражения (1) и равенства |; «г 45, составит величину 108°24. Таким образом, фазосдвигающая пластинка 1 должна иметь сдвиг фазы, равный , но с отрицательным знаком, т.е. должна сдвигать фазу светового пучка в обратную сторону по отношению к сдвигам фаз призменных элементов. Из соотношения (1) следует, что для этого при .работе, например, на длине волны

S 0,5461 мкм и при выполнении пластинки 1 из слюды, для которой (Ое- По) 0,04191, ее толщина должна ьыть равна d . 1,33 мкм. При этом сдвиг фаз в сечении пучка на выходе из первой системы равен «Г 2, а сам пучок поляризован по кругу.

Кроме рассмотренного случая соз.Дания оптической развязки в сечеиии оптического пучка между системами шарнира, можно найти такое же сечение между призмами 2 и 3.. Тогда призма 3 будет принадлежать второй оптической системе шарнира. В этсж случае сдвиги фаз рассчитываются по формуле (1), но толщина фазосдвигакнцей пластинки 1 будет иной и соответственно сдвиг фазы пластиики 1 будет также другим.

Предлагаемый оптический шарнир п второму варианту состоит из последо,вательно расположенных призм 5 и 6, составляющих первую призменную систему, а также второй призменной системы 7. При этом системы установлены с возможностью соосного разворота, а показатели преломления материалов призм 5 и 6 удовлетворяют выргикению (2).

Оптический шарнир работает следующим образом.

При последовательном отражении пучка монохроматического линейно поляризованного света от граней

призм 5 и 6 первой системы он приобретает сдвиг фаз ZI соответствующий левой части уравнения (2J. В случае выполнения этого соотношения, т.е. соответствующего подбора .мате0 риала призм, указанный сдвиг.равеи. if/2. При этом на .выходе из первой, лризменной системы линейно поляризованный свет превращается в .циркулярно поляризованный, т.е. в шарнире

5 реализуется оптическая развязка, благодаря которой обеспечивается постоянство коэффициента пропускания поляризованного света вне зависимости от углов разворота систем.

Q Пример. При выполнении призм 5 и 6 оптического шарнира из одинакового материала сдвиг фаз при отражении от каждой из их граней с учетом выражения (2) и равенства cj; - 45°

с составит величину 30°. Тогда с учетом тех же факторов имеет место равенство «ti; 0,677, т.е. показатель преломления материала призм 5 и 6 должен быть равен Vo,67T-1,4771. Такой показатель преломления имеет

0 стекло ЛК 10 5, Следовательно, при выполнении призм первой системы из этого стекла свет на ее выходе поляризуется по кругу.

Первый вариант предлагаемого тех5 нического решения целесообразно применять для модернизации существукнцих шарниров. Для того, чтобы получить круговую поляризацию в сечении светового пучка между оптическими систе0 мами, достаточно, не меняя конструкции шарнира, нанести на переднюю поверхность первой призмы соответствующий слой, например, из слюды, работающий как фазосдвигающая пластии5

Она может быть также заключена

в оправу, которая, например, с помощью резьбового соединения соединяется с оправой первого призменного элемента первой оптическойсистемы.

Второй вариант предлагаетюго технического ранения целесообразно применять при изготовлении новых оптических систем.

Таким образом, предлагаемый ОПТИ- ческий шарнир в отличие от известных технических решений обеспечивает постоянство коэффициента пропуска0 ния поляризованного света при соосном развороте оптических системой тем санным доводит точность при фотометрических измерениях до 0,5 -f 0,1%, что позволяет расширить функционгигь

5 ные возможности шарнира и впервые .

применить его в целом ряде приборов, таких как поляриметры, эллипсометры, сахариметры и другие, которые получили широкое распространение благодаря своей простоте и высокой производительности .

1. Оптический шарнир, содержащий по крайней мере две призменные системы, установленные с возможностью соосного разворота, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности при фотометрических измерениях путем обеспеченияпостоянства коэффициента пропускания поляризованного света при развороте, первая призменная система снабжена фазосдвигающей пластинкой, толщина d , а также показатели преломления необыкновенного hg и обыкновенно о Пдлучей которой удовлетворяют соотношению Af vr, ,,со5су;л|б1пЧ-п,; . d( 2-;,2arct r; где -Л - длина волны падающего света; - порядковый номер отражающих граней первой призменной системы; N - общее число таких граней; (f; - угол между оптической осью шарнира и нормалью к i -ой отражающей грани; п,2; - относительный показатель преломления сред, которые разделяет i -я отражающая грань. 2. Оптический шарнир, содержапшй по крайней мере две призменные системы, установленные с возможностьюсоосного разворота, о т л.и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расши.рения функциональных возможностей и повышения точности при фотометрических измерениях путем обеспечения постоянства коэффициента пропускаСО ния поляризованного света при развороте, призмы первой системы выполс нены из материалов, показатели прелрмпенияп,2; которых связаны с углами (f- соотнесением costji-is -riJ ; li .2:2apctrf -ir - vl i - порядковый номер отрагде жающих граней первой о призменной системы; N - общее число таких граней; Ср - угол между оптической осью шарнира и нормалью к i -и отражающей грани.

// Фиг.г

7 А

/п